KR20010027910A - Gilbert cell frequency mixer using unipolar switch - Google Patents

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김충환
김천수
유현규
박민
김대용
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정선종
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Abstract

PURPOSE: A mixer of Gibert cell frequency by using a unipolar switch is provided to reduce loss of gain of converting by supplying the condition of bias optimized by the operation of a unipolar switch. CONSTITUTION: A mixer of Gibert cell frequency by using a unipolar switch includes six FETs(Field Effect Transistors). The radio frequency signal is permitted to the gate of a FET(F311) and the electric current lD1 flows in the drain. The reverse radio frequency signal is permitted to the gate of a FET(F312) and the electric current lD2 flows in the drain. The partial oscillator signal is permitted to the gate of the FET(F313) and the drain of the FET(F313) is connected to the source of the FETs(F311, F312) in common. The radio frequency signal(RF) is permitted to the gate of the FET(F314) and the electric current lD3 flows in the drain connected with the drain of the FET(F311). The reverse radio frequency signal(/RF) is permitted to the gate of the FET(F315) and the electric current lD4 flows in the drain connected with the drain of the FET(F312). The the reverse partial oscillator signal(/LO) is permitted to the gate of the FET(F316) and the drain is connected to the source of the FETs(F314, F315) in common.

Description

단극 스위치를 이용한 길버트 셀 주파수 혼합기{GILBERT CELL FREQUENCY MIXER USING UNIPOLAR SWITCH}Gilbert cell frequency mixer using single pole switch {GILBERT CELL FREQUENCY MIXER USING UNIPOLAR SWITCH}

본 발명은 통신 시스템 등에서 주파수 변환 소자로 이용되는 길버트 셀 주파수 혼합기에 관한 것으로서, 특히 단극 스위치 동작을 채용해 최적화된 바이어스 조건을 갖도록 하는 길버트 셀 주파수 혼합기에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a Gilbert cell frequency mixer used as a frequency conversion element in a communication system, and more particularly, to a Gilbert cell frequency mixer having a single bias switch operation to have an optimized bias condition.

길버트 셀 주파수 혼합기는 통신 시스템에서 주파수 변환 소자로 널리 쓰여져 왔는데, 일반적인 동작은 국부발진자신호가 능동 소자로 이루어진 상위 차동단으로 입력되고 통신 입력신호는 아래 부분의 능동 신호로 부가되나, 위의 일반적인 사용에 대하여 신호 입력이 반전된 길버트 셀 주파수 혼합기의 사용은 알려져 있지 않다.Gilbert cell frequency mixers have been widely used as frequency conversion elements in communication systems. The general operation is that the local oscillator signal is input to the upper differential stage of active elements and the communication input signal is added as the active signal at the bottom, The use of Gilbert cell frequency mixers with inverted signal inputs is not known.

이와 같이, 신호 입력이 반전된 길버트 셀 주파수 혼합기가 잘 사용되어지지 않는 이유는, 그 동작원리가 단극 스위치 동작으로 양극 스위치 동작일 때 보다 6dB의 부가적인 손실이 있기 때문이다.As such, the reason why the Gilbert cell frequency mixer in which the signal input is inverted is not well used is that the operation principle is an additional loss of 6 dB than that of the positive switch operation due to the unipolar switch operation.

그리고, 바이폴라 트랜지스터로 이루어진 길버트 셀 주파수 혼합기는 국부발진자신호의 크기가 300mV 이상이 되면, 스위치 동작이 듀티(Duty)가 50%인 이상적인 스위치로 동작하여 이득이 최대가 되나, 전계효과 트랜지스터(FET : Field Effect Transistor)로 이루어진 길버트 셀 주파수 혼합기에서는 최대 이득을 얻기 위해서 국부발진자신호가 더 커야한다.In addition, when the magnitude of the local oscillator signal is 300 mV or more, the Gilbert cell frequency mixer composed of bipolar transistors operates as an ideal switch having a duty ratio of 50% to maximize the gain, but a field effect transistor (FET: In Gilbert cell frequency mixers consisting of Field Effect Transistors, the local oscillator signal must be larger to obtain maximum gain.

그러나, 이득을 최대로 얻기 위해서는 FET의 동작점이 문턱전압에 거의 가까워야 하는데, 이 경우에 선형성이 나빠지는 단점이 있다.However, in order to obtain the maximum gain, the operating point of the FET should be close to the threshold voltage. In this case, the linearity is deteriorated.

도 1은 종래의 양극 스위치를 이용한 길버트 셀 주파수 혼합기의 회로도로서, 게이트에 국부발진자신호(LO)가 인가되고 드레인에 전류 ID1이 인가되는 FET(F111)와, 게이트에 반전국부발진자신호(/LO)가 인가되고 드레인에 전류 ID2가 인가되는 FET(F112)와, 게이트에 무선주파수신호(RF)가 인가되고 드레인이 FET(F111, F112)들의 소오스에 공통 연결된 FET(F113)와, 게이트에 국부발진자신호(LO)가 인가되고 FET(F111)의 드레인과 연결된 드레인에 전류 ID3이 인가되는 FET(F114)와, 게이트에 반전국부발진자신호(/LO)가 인가되고 FET(F112)의 드레인과 연결된 드레인에 전류 ID4가 인가되는 FET(F115)와, 게이트에 반전무선주파수신호(/RF)가 인가되고 드레인이 FET(F114, F115)들의 소오스에 공통 연결된 FET(F116)와, FET(F113, F116)들의 소오스를 통해 인가되는 전류를 접지로 인가하는 전류소오스(111)로 구성된다.1 is a circuit diagram of a Gilbert cell frequency mixer using a conventional anode switch, in which a local oscillator signal LO is applied to a gate and a current I D1 is applied to a drain, and an inverted local oscillator signal (/) is applied to a gate. FET F112 to which LO is applied and current I D2 is applied to the drain, FET F113 to which the RF signal is applied to the gate, and the drain is commonly connected to the sources of the FETs F111 and F112, and The local oscillator signal LO is applied to the FET F114 to which the current I D3 is applied to the drain connected to the drain of the FET F111, and the inverted local oscillator signal / LO is applied to the gate of the FET F112. FET F115 to which current I D4 is applied to the drain connected to the drain, FET F116 to which the inverted radio frequency signal / RF is applied to the gate, and the drain is commonly connected to the sources of the FETs F114 and F115, and the FET Electric current applied through the sources of (F113, F116) to ground It consists of the source (111).

일반적으로, 주파수 혼합기의 전압변환 이득은 중요한 성능 평가 변수 중의 하나이다. 주파수 변환 트랜스콘덕턴스는 주파수 변환된 출력전류의 rms 값에 입력 통신신호의 rms 값을 나눈것이다.In general, the voltage conversion gain of the frequency mixer is one of the important performance evaluation parameters. Frequency-converted transconductance is the rms of the frequency-converted output current divided by the rms of the input communication signal.

그리고, 전압변환 이득은 대략 주파수 변환 트랜스콘덕턴스와 부하의 임피던스를 곱한것과 같다. 최대의 부하 임피던스는 이용 가능한 전압에 직류전류를 나눈 것과 같다.The voltage conversion gain is approximately equal to the frequency conversion transconductance times the impedance of the load. Maximum load impedance is equal to the DC current divided by the available voltage.

여기서, 이용 가능한 전압은 전원이 주어진 경우에 거의 고정되므로 주파수 변환 트랜스콘덕턴스에 직류전류 값을 나눈것이 주파수 혼합기의 이득을 대표한다.Here, the available voltage is almost fixed given the power supply, so dividing the DC current value by the frequency conversion transconductance represents the gain of the frequency mixer.

이와 같은 경우에, 상기한 바와 같은 구조를 갖는 종래의 양극 스위치를 이용한 길버트 셀 주파수 혼합기의 전압 이득은 다음 [수학식 1] 및 [수학식 2]와 같다.In this case, the voltage gain of the Gilbert cell frequency mixer using the conventional positive electrode switch having the structure as described above is expressed by the following [Equation 1] and [Equation 2].

상기 [수학식 1]은 FET의 게이트 길이가 긴 경우의 전압 이득이고, 상기 [수학식 2]는 게이트 길이가 짧을 때의 전압 이득이다.Equation 1 is a voltage gain when the gate length of the FET is long, and Equation 2 is a voltage gain when the gate length is short.

도 2는 종래의 양극 스위치를 이용한 길버트 셀 주파수 혼합기의 이득 특성도로서, 국부발진자신호의 크기에 따른 이득 특성 변화를 나타내고 있는 것이다.2 is a gain characteristic diagram of a Gilbert cell frequency mixer using a conventional positive electrode switch, and shows a change in gain characteristic according to the magnitude of the local oscillator signal.

도 2에서, 채널 길이가 긴 경우(즉, 도 2의 실선)에, 이득의 1dB 감소 점은이고, 3dB점은일 때이다.In FIG. 2, when the channel length is long (i.e., the solid line in FIG. 2), the 1dB reduction point of the gain is 3dB point When

그리고, 채널 길이가 짧은 경우(즉, 도 2의 점선)에, 이득의 1dB 감소 점은이고, 3dB점은일 때이다. 즉, 채널 길이가 짧을 경우에는 채널 길이가 긴 경우보다 더 큰 국부발진자 신호가 필요 함을 알 수 있다.And, if the channel length is short (i.e., the dashed line in Figure 2), the 1dB decrease in gain is 3dB point When That is, when the channel length is short, it can be seen that a larger local oscillator signal is required than when the channel length is long.

한편, 바이폴라 트랜지스터로 이루어진 길버트 주파수 혼합기의 경우에는 대략 180mV의 국부발진자신호이면 충분하고 직류조건에 무관하므로, 오히려 상기 도 1의 FET로 이루어진 길버트 셀 주파수 혼합기의 경우 이득이 너무 많이 감소되는 문제점이 있었다.On the other hand, in the case of a Gilbert frequency mixer composed of bipolar transistors, a local oscillator signal of about 180 mV is sufficient and irrespective of a direct current condition. Therefore, the gain of the Gilbert cell frequency mixer composed of the FET of FIG. .

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 단극 스위치 동작에 의해 최적화된 바이어스 조건을 갖도록 하여 변환 이득의 손실을 현저하게 줄일 수 있는 길버트 셀 주파수 혼합기를 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a Gilbert cell frequency mixer capable of significantly reducing the loss of conversion gain by having a bias condition optimized by a single-pole switch operation. .

도 1은 종래의 양극 스위치를 이용한 길버트 셀 주파수 혼합기의 회로도.1 is a circuit diagram of a Gilbert cell frequency mixer using a conventional anode switch.

도 2는 종래의 양극 스위치를 이용한 길버트 셀 주파수 혼합기의 이득 특성도.2 is a gain characteristic diagram of a Gilbert cell frequency mixer using a conventional positive electrode switch.

도 3은 본 발명에 따른 단극 스위치를 이용한 길버트 셀 주파수 혼합기의 일실시예 회로도.3 is a circuit diagram of an embodiment of a Gilbert cell frequency mixer using a single pole switch according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 단극 스위치를 이용한 길버트 셀 주파수 혼합기와 종래의 양극 스위치를 이용한 길버트 셀 주파수 혼합기의 이득 특성에 대한 비교도.Figure 4 is a comparison of the gain characteristics of Gilbert cell frequency mixer using a single-pole switch and Gilbert cell frequency mixer using a conventional positive electrode switch according to the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

F311 내지 F316 : 전계효과 트랜지스터F311 to F316: field effect transistor

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 길버트 셀 주파수 혼합기에 있어서, 게이트에 무선주파수신호가 인가되고, 드레인에 제 1 전류 ID1이 흐르는 제 1 전계효과 트랜지스터; 게이트에 반전무선주파수신호가 인가되고, 드레인에 제 2 전류 ID2가 흐르는 제 2 전계효과 트랜지스터; 게이트에 국부발진자신호가 인가되고, 드레인이 상기 제 1 및 제 2 전계효과 트랜지스터의 소오스에 공통 연결되고, 소오스가 접지에 연결된 제 3 전계효과 트랜지스터; 게이트에 상기 무선주파수신호가 인가되고, 상기 제 1 전계효과 트랜지스터의 드레인과 연결된 드레인에 제 3 전류 ID3이 흐르는 제 4 전계효과 트랜지스터; 게이트에 상기 반전무선주파수신호가 인가되고, 상기 제 2 전계효과 트랜지스터의 드레인과 연결된 드레인에 제 4 전류 ID4가 흐르는 제 5 전계효과 트랜지스터; 및 게이트에 반전국부발진자신호가 인가되고, 드레인이 상기 제 4 및 제 5 전계효과 트랜지스터의 소오스에 공통 연결되고, 소오스가 접지에 연결된 제 6 전계효과 트랜지스터를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a Gilbert cell frequency mixer, comprising: a first field effect transistor in which a radio frequency signal is applied to a gate and a first current I D1 flows in a drain; A second field effect transistor having an inverted radio frequency signal applied to the gate and a second current I D2 flowing in the drain; A third field effect transistor having a local oscillator signal applied to a gate, a drain of which is commonly connected to a source of the first and second field effect transistors, and a source of which is connected to ground; A fourth field effect transistor, to which a radio frequency signal is applied to a gate, and a third current I D3 flows in the drain connected to the drain of the first field effect transistor; A fifth field effect transistor applied with the inverted radio frequency signal to a gate and having a fourth current I D4 flowing through the drain connected to the drain of the second field effect transistor; And a sixth field effect transistor having an inverted local oscillator signal applied to the gate, a drain of which is commonly connected to the sources of the fourth and fifth field effect transistors, and a source of which is connected to ground.

그리고, 상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명을 통해 실현하고자 하는 특징을 구체적으로 살펴보면, 기존의 양극 스위치 동작을 이용한 길버트 셀 주파수 혼합기에 대하여 국부발진자신호와 무선주파수신호가 인가되는 입력단 위치를 맞바꾸어 단극 스위치 동작을 하도록 하여, 최적화된 바이어스 조건을 잡아 기존에 비하여 변환 이득의 손실이 없도록 하고 국부발진자신호가 작을 때 오히려 이득을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.In addition, the characteristics to be realized through the present invention having the above-described configuration will be described in detail. The position of the input terminal to which the local oscillator signal and the radio frequency signal are applied to the Gilbert cell frequency mixer using the conventional anode switch operation is exchanged. By unipolar switch operation, the optimized bias condition is set so that there is no loss of conversion gain compared to the conventional one, and the gain can be improved when the local oscillator signal is small.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 단극 스위치를 이용한 길버트 셀 주파수 혼합기의 일실시예 회로도이다.3 is a circuit diagram of an embodiment of a Gilbert cell frequency mixer using a single pole switch according to the present invention.

도 3에 도시된 바와같이, 본 발명의 길버트 셀 주파수 혼합기는, 게이트에 무선주파수신호(RF)가 인가되고 드레인에 전류 ID1이 흐르는 FET(F311)와, 게이트에 반전무선주파수신호(/RF)가 인가되고 드레인에 전류 ID2가 흐르는 FET(F312)와, 게이트에 국부발진자신호(LO)가 인가되고 드레인이 FET(F311, F312)들의 소오스에 공통 연결되고 소오스가 접지에 연결된 FET(F313)와, 게이트에 무선주파수신호(RF)가 인가되고 FET(F311)의 드레인과 연결된 드레인에 전류 ID3이 흐르는 FET(F314)와, 게이트에 반전무선주파수신호(/RF)가 인가되고 FET(F312)의 드레인과 연결된 드레인에 전류 ID4가 흐르는 FET(F315)와, 게이트에 반전국부발진자신호(/LO)가 인가되고 드레인이 FET(F314, F315)들의 소오스에 공통 연결되고 소오스가 접지에 연결된 FET(F316)를 구비한다.As shown in FIG. 3, the Gilbert cell frequency mixer of the present invention includes a FET F311 through which a radio frequency signal RF is applied to a gate and a current I D1 flows in a drain, and an inverted radio frequency signal (/ RF) in a gate. ) FET F312 through which current I D2 is applied to the drain, a local oscillator signal LO is applied to the gate, a drain is commonly connected to the sources of the FETs F311 and F312, and a source is connected to ground. ), A FET (F314) through which the current I D3 flows to the drain connected to the drain of the FET (F311) and a gate, and an inverted radio frequency signal (/ RF) is applied to the gate, and the FET ( A FET F315 through which current I D4 flows to the drain connected to the drain of F312, an inverted local oscillator signal / LO is applied to the gate, the drain is commonly connected to the sources of the FETs F314 and F315, and the source is connected to ground. It has a connected FET F316.

즉, 본 발명의 길버트 셀 주파수 혼합기는 종래의 길버트 셀 주파수 혼합기의 경우와 반대로, 국부발진자신호(LO)와 반전국부발진자신호(/LO)는 각각 FET(F313, F316)의 게이트에 인가되고, 또한 무선주파수신호(RF)는 FET(F311, 314)의 게이트에 인가되며, 반전무선주파수신호(/RF)는 FET(F312, 315)의 게이트에 인가된다.That is, the Gilbert cell frequency mixer of the present invention is applied to the gates of the FETs F313 and F316, respectively, in contrast to the conventional Gilbert cell frequency mixers, the local oscillator signal LO and the inverted local oscillator signal / LO. In addition, the radio frequency signal RF is applied to the gates of the FETs F311 and 314, and the inverted radio frequency signal / RF is applied to the gates of the FETs F312 and 315.

그리고, 국부발진자신호(RF)와 반전국부발진자신호(/RF)가 인가되는 FET(F313, F316)의 게이트 전압을 문턱 전압으로 잡는다.The gate voltages of the FETs F313 and F316 to which the local oscillator signal RF and the inverted local oscillator signal / RF are applied are set as threshold voltages.

이와 같이 문턱전압을 설정하는 경우에, 본 발명의 단극-스위치를 이용한 길버트 셀 주파수 혼합기의 전압 이득은 다음 [수학식 3] 및 [수학식 4]와 같다.In the case of setting the threshold voltage in this manner, the voltage gain of the Gilbert cell frequency mixer using the single-pole switch of the present invention is expressed by the following Equations 3 and 4.

상기 [수학식 3]은 FET의 게이트 길이가 긴 경우의 전압 이득이고, 상기 [수학식 4]는 게이트 길이가 짧을 때의 전압 이득이다.Equation 3 is a voltage gain when the gate length of the FET is long, and Equation 4 is a voltage gain when the gate length is short.

도 4는 본 발명에 따른 단극 스위치를 이용한 길버트 셀 주파수 혼합기와 종래의 양극 스위치를 이용한 길버트 셀 주파수 혼합기 간의 이득비를 나타내는 비교도이다.4 is a comparison diagram showing a gain ratio between a Gilbert cell frequency mixer using a single pole switch and a Gilbert cell frequency mixer using a conventional positive electrode switch according to the present invention.

도 4에 도시된 바와 같이, 국부발진자신호가 작을 때 본 발명의 이득이 우수함을 알수 있으며, 실제 결과는 국부발진자신호가 클때도 계산치보다 오히려 높음을 알수 있다.As shown in FIG. 4, it can be seen that the gain of the present invention is excellent when the local oscillator signal is small, and the actual result is higher than the calculated value even when the local oscillator signal is large.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은, 국부발진자신호와 무선주파수신호의 위치를 맞바꾸어 단극 스위치 동작을 하도록 하여, 최적화된 바이어스 조건을 갖도록 하고 이득을 극대화시키는 효과가 있다.As described above, the present invention has an effect of maximizing gain by having an optimized bias condition by switching the positions of the local oscillator signal and the radio frequency signal to perform a single pole switch operation.

Claims (2)

길버트 셀 주파수 혼합기에 있어서,In the Gilbert cell frequency mixer, 게이트에 무선주파수신호가 인가되고, 드레인에 제 1 전류 ID1이 흐르는 제 1 전계효과 트랜지스터;A first field effect transistor to which a radio frequency signal is applied to a gate and a first current I D1 flows in a drain; 게이트에 반전무선주파수신호가 인가되고, 드레인에 제 2 전류 ID2가 흐르는 제 2 전계효과 트랜지스터;A second field effect transistor having an inverted radio frequency signal applied to the gate and a second current I D2 flowing in the drain; 게이트에 국부발진자신호가 인가되고, 드레인이 상기 제 1 및 제 2 전계효과 트랜지스터의 소오스에 공통 연결되고, 소오스가 접지에 연결된 제 3 전계효과 트랜지스터;A third field effect transistor having a local oscillator signal applied to a gate, a drain of which is commonly connected to a source of the first and second field effect transistors, and a source of which is connected to ground; 게이트에 상기 무선주파수신호가 인가되고, 상기 제 1 전계효과 트랜지스터의 드레인과 연결된 드레인에 제 3 전류 ID3이 흐르는 제 4 전계효과 트랜지스터;A fourth field effect transistor, to which a radio frequency signal is applied to a gate, and a third current I D3 flows in the drain connected to the drain of the first field effect transistor; 게이트에 상기 반전무선주파수신호가 인가되고, 상기 제 2 전계효과 트랜지스터의 드레인과 연결된 드레인에 제 4 전류 ID4가 흐르는 제 5 전계효과 트랜지스터; 및A fifth field effect transistor applied with the inverted radio frequency signal to a gate and having a fourth current I D4 flowing through the drain connected to the drain of the second field effect transistor; And 게이트에 반전국부발진자신호가 인가되고, 드레인이 상기 제 4 및 제 5 전계효과 트랜지스터의 소오스에 공통 연결되고, 소오스가 접지에 연결된 제 6 전계효과 트랜지스터A sixth field effect transistor is applied to the gate with the inverted local oscillator signal, a drain of which is commonly connected to the sources of the fourth and fifth field effect transistors, and a source of which is connected to ground. 를 포함하여 이루어진 단극 스위치를 이용한 길버트 셀 주파수 혼합기.Gilbert cell frequency mixer using a single-pole switch comprising a. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 국부발진자신호가 인가되는 상기 제 3 전계효과 트랜지스터의 게이트 전압과 상기 반전국부발진자신호가 인가되는 상기 제 6 전계효과 트랜지스터의 게이트 전압을 문턱 전압으로 설정하는 것을 특징으로 하는 단극 스위치를 이용한 길버트 셀 주파수 혼합기.A Gilbert cell using a single-pole switch, the gate voltage of the third field effect transistor to which the local oscillator signal is applied and the gate voltage of the sixth field effect transistor to which the inverted local oscillator signal is applied are set as threshold voltages. Frequency mixer.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100666701B1 (en) * 2006-01-05 2007-01-09 뮤텔테크놀러지 주식회사 Passive frequency mixer and frequency converting method
KR100882819B1 (en) * 2007-07-10 2009-02-10 한국과학기술원 Cascode structure power amplifier using multiple common-gate transistor
KR101013382B1 (en) * 2008-11-20 2011-02-14 한양대학교 산학협력단 Frequency mixer

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